振動(dòng)聲學(xué)法在瓷支柱絕緣子檢測(cè)中的應(yīng)用

馬 崇，程 明

(天津市電力科學(xué)研究院，天津 300384)

瓷支柱絕緣子是電網(wǎng)和發(fā)電廠電氣設(shè)備的重要部件。由于設(shè)計(jì)、制造、安裝、維護(hù)檢修不當(dāng)，以及運(yùn)行中惡劣環(huán)境的影響等原因，容易造成瓷支柱絕緣子失效斷裂，危及電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此，加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)在役瓷支柱絕緣子檢測(cè)和質(zhì)量評(píng)價(jià)，對(duì)確保電網(wǎng)的安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要。長(zhǎng)期以來(lái)電力系統(tǒng)采用傳統(tǒng)定期試驗(yàn)方法(預(yù)防性試驗(yàn))來(lái)檢測(cè)高壓設(shè)備瓷支柱絕緣子，但是該試驗(yàn)需要在停電時(shí)進(jìn)行，如果停電周期安排不當(dāng)，會(huì)致使大量絕緣子在臨界極限狀態(tài)甚至超限狀態(tài)下運(yùn)行；且定期的電網(wǎng)斷電，將給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成損失。振動(dòng)聲學(xué)法是一種現(xiàn)代化診斷方法，該方法可以在不斷電的條件下詳細(xì)檢測(cè)瓷制件內(nèi)部和外部的缺陷情況。

1 振動(dòng)聲學(xué)法檢測(cè)原理

瓷支柱絕緣子保持機(jī)械強(qiáng)度的基本判據(jù)是其特征頻率在時(shí)間上的不變化特質(zhì)。通過(guò)使用ansys軟件對(duì)瓷支柱絕緣子模型進(jìn)行研究可得：絕緣子的振動(dòng)在大多數(shù)情況下出現(xiàn)在基礎(chǔ)頻率上，約為4 kHz；當(dāng)向其底部法蘭加動(dòng)態(tài)力(非運(yùn)動(dòng)力)載荷時(shí)，該振動(dòng)包含絕緣子動(dòng)態(tài)特性的完整信息；當(dāng)絕緣子底部法蘭區(qū)域有缺陷(裂紋)時(shí)，導(dǎo)致出現(xiàn)低于基礎(chǔ)頻率的頻率分量；而在上部法蘭區(qū)域有缺陷(裂紋)時(shí)，導(dǎo)致出現(xiàn)高于基礎(chǔ)頻率的頻率分量。瓷支柱絕緣子的機(jī)械狀態(tài)可以按照其機(jī)械強(qiáng)度即承載能力(瓷支柱絕緣子破壞時(shí)的最小受力)來(lái)判斷，而瓷支柱絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度值可以通過(guò)對(duì)絕緣子施加的一定頻率激勵(lì)聲波，評(píng)估絕緣子隨機(jī)械振動(dòng)作用的反應(yīng)功率頻譜加以判斷。瓷支柱絕緣子的承載能力或發(fā)生破壞極限載荷，按照以下公式計(jì)算：

P1/P0=(ω1/ω0)2

式中：P0為未破損絕緣子的極限載荷；P1為破損絕緣子的極限載荷；ω0為未破損絕緣子的振動(dòng)反應(yīng)頻譜的中心頻率； ω1為破損絕緣子的振動(dòng)反應(yīng)頻譜的中心頻率。

由上式可以看出，對(duì)瓷支柱絕緣子加載隨機(jī)振動(dòng)，有缺陷(裂紋)的絕緣子會(huì)出現(xiàn)不同于基礎(chǔ)頻率的頻率分量，根據(jù)其頻譜的中心頻率，可以評(píng)估絕緣子的機(jī)械狀態(tài)，即通過(guò)評(píng)估支柱絕緣子對(duì)激勵(lì)聲波的反應(yīng)頻譜來(lái)確定支柱絕緣子是否已經(jīng)損壞。

2 振動(dòng)聲學(xué)法的檢測(cè)過(guò)程及結(jié)果

2.1 檢測(cè)過(guò)程介紹

一套完整的瓷支柱絕緣子振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)包括：激勵(lì)源(隨機(jī)振動(dòng)的激發(fā)器)、信號(hào)接收設(shè)備(用于記錄、存儲(chǔ)絕緣子對(duì)激勵(lì)的響應(yīng))、結(jié)果分析系統(tǒng)(用來(lái)分析檢測(cè)結(jié)果的軟件包)。使用時(shí)，將帶螺桿的絕緣桿螺栓頭固定于儀器面板的螺紋孔內(nèi)，然后將儀器靠近被檢測(cè)絕緣子的底部法蘭，并使探針盡量與法蘭底面垂直，用力抵住法蘭，直到儀器提示“測(cè)試結(jié)束”。使用專用數(shù)據(jù)線將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸于PC機(jī)，用專用分析軟件顯示出該瓷支柱絕緣子振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖，并進(jìn)行分析。按照國(guó)家電網(wǎng)公司《72.5 kV及以上電壓等級(jí)支柱瓷絕緣子技術(shù)監(jiān)督規(guī)定》要求,實(shí)際工作中只對(duì)110 kV及以上電壓等級(jí)變電站的瓷支柱絕緣子進(jìn)行檢測(cè)，由于各種電壓等級(jí)的瓷支柱絕緣子在結(jié)構(gòu)和成分上存在相似性，以下僅以110 kV變電站瓷支柱絕緣子為例進(jìn)行分析。

2.2 檢測(cè)結(jié)果分析

2.2.1 機(jī)械狀況良好的瓷支柱絕緣子

通過(guò)對(duì)振動(dòng)聲學(xué)物理基礎(chǔ)的研究，認(rèn)為機(jī)械狀況良好的瓷支柱絕緣子，只要采用符合標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)工藝，無(wú)論是哪個(gè)廠家生產(chǎn)，都有在頻率4 kHz區(qū)域單峰值的振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖。圖1為機(jī)械狀況良好的110 kV瓷支柱絕緣子振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖，此圖在4.5 kHz左右的頻率區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)單峰值。

圖1 機(jī)械狀況良好瓷支柱絕緣子振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖

在實(shí)際檢測(cè)中，受檢測(cè)環(huán)境的影響，如果絕緣子的振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖只在3～6 kHz的頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)波峰，一般認(rèn)定其機(jī)械狀態(tài)良好。

2.2.2 底部法蘭區(qū)域有缺陷瓷支柱絕緣子

底部法蘭區(qū)域有缺陷的絕緣子，在振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖上，除了頻率4 kHz的基本峰外，還有在1～3 kHz頻率區(qū)域的峰值。如圖2所示，此絕緣子的振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖除在4 kHz處出現(xiàn)波峰外，在1.2 kHz頻率處出現(xiàn)了較高的波峰。

圖2 底部法蘭區(qū)域有缺陷瓷支柱絕緣子振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖

2.2.3 頂部法蘭區(qū)域有缺陷瓷支柱絕緣子

頂部法蘭區(qū)域有缺陷的絕緣子，在振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖上，除了頻率4 kHz的基本(決定性的)峰外，還有在8～10 kHz頻率區(qū)域的峰值，甚至有時(shí)其基本峰波高很小甚至在其振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖上無(wú)法觀察到。如圖3所示，在此絕緣子的振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖上已無(wú)法辨識(shí)其基本峰，但在8 kHz頻率處出現(xiàn)了較高的波峰。

圖3 頂部法蘭區(qū)域有缺陷瓷支柱絕緣子振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖

3 振動(dòng)聲學(xué)法的應(yīng)用效果及檢測(cè)注意事項(xiàng)

3.1 應(yīng)用效果

采用振動(dòng)聲學(xué)法對(duì)大量的瓷支柱絕緣子進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與理論研究相吻合，機(jī)械狀態(tài)良好、頂部法蘭區(qū)域有缺陷、底部法蘭區(qū)域有缺陷瓷支柱絕緣子的實(shí)測(cè)振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖與理論研究相一致，取得了良好的應(yīng)用效果。

3.2 檢測(cè)注意事項(xiàng)

由于實(shí)際檢測(cè)環(huán)境較復(fù)雜，檢測(cè)人員手法、周圍環(huán)境的變化均會(huì)對(duì)絕緣子的振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖產(chǎn)生影響,如產(chǎn)生雙峰等。在對(duì)絕緣子的振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖進(jìn)行分析時(shí)，只考慮波高較高的峰，與主峰高度相差過(guò)大的峰可能是由于環(huán)境或檢驗(yàn)人員的手法不當(dāng)造成的，在此不做研究。所有試驗(yàn)均采用在絕緣子底法蘭處加載隨機(jī)振動(dòng)的方法。

3.2.1 絕緣子與周圍物體的連接狀況

在役瓷支柱絕緣子使用螺桿等連接裝置固定于塔桿等構(gòu)架上，與其連接的周圍物體對(duì)其振動(dòng)頻率的影響較小，其振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖與理論研究相吻合程度較高。但是對(duì)于待驗(yàn)收的瓷支柱絕緣子，通常未與塔桿等構(gòu)架相連接，其放置方式對(duì)于其振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖有一定的影響。進(jìn)行如下試驗(yàn)：隨機(jī)選取20根機(jī)械狀態(tài)良好的110 kV瓷支柱絕緣子，當(dāng)其按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)與塔桿等構(gòu)架相連時(shí)，其振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖大致如圖1所示；使20根瓷支柱絕緣子直立于地面上時(shí)，有10根瓷支柱絕緣子的振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖出現(xiàn)如圖4的雙波峰狀況，考慮是大地的回波造成的雙波峰，但此種狀況不影響結(jié)果的判定；使20根瓷支柱絕緣子平躺于地面上時(shí)，有6根絕緣子的振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖出現(xiàn)如圖5所示的狀況，由該圖推斷此絕緣子的機(jī)械狀況較差，但實(shí)際此絕緣子機(jī)械狀況良好，考慮是大地造成的影響。

圖4 直立狀態(tài)下的瓷支柱絕緣子振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖

圖5 平躺狀態(tài)下的瓷支柱絕緣子振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖

由此可知，在役的瓷支柱絕緣子，可以按照正常方法進(jìn)行檢測(cè)；待驗(yàn)收的瓷支柱絕緣子，建議將絕緣子直立進(jìn)行檢測(cè)，盡量減少周圍連接物對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

3.2.2 溫度

試驗(yàn)證明，機(jī)械狀態(tài)良好的瓷支柱絕緣子在任何溫度下的振動(dòng)頻率組分都變化不大，溫度變化時(shí)其機(jī)械強(qiáng)度仍保持在原有水平上，其振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖大致如圖1所示。

對(duì)于存在缺陷的絕緣子，溫度會(huì)影響其機(jī)械狀態(tài)，從而使同一絕緣子的振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖在不同溫度下呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。華北大部分地區(qū)年最低氣溫在-20 ℃以上，根據(jù)這一地區(qū)的溫度特點(diǎn)，分別在20 ℃、10 ℃、0℃、-10 ℃、-20 ℃的溫度下測(cè)試大量存在缺陷的絕緣子的機(jī)械狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)溫度從20 ℃過(guò)渡到-20 ℃時(shí)，除少量絕緣子的振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖無(wú)變化外，絕大多數(shù)的絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度增加或者減小，但其強(qiáng)度增加量或減小量不足以影響對(duì)其機(jī)械狀態(tài)的判斷。

絕緣子機(jī)械強(qiáng)度的增加可能是由于絕緣子里存在著某些不能使其破損的水分，而且由于這些水分的凍結(jié)導(dǎo)致了絕緣子機(jī)械強(qiáng)度的增加；鑄鐵和陶瓷間存在某些不均勻(疏松性)縫隙，由于溫度降低時(shí)鐵和陶瓷的不同線性膨脹系數(shù)使這些縫隙密實(shí)了，也就提高了絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度。存在缺陷的絕緣子在直立狀態(tài)下從20 ℃過(guò)渡到-20 ℃時(shí)機(jī)械強(qiáng)度增加的典型振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖見(jiàn)圖6。

(a) 20 ℃

(b) 10 ℃

(c) 0 ℃

(d) -10 ℃

(e) -20 ℃

由圖6可見(jiàn)，當(dāng)溫度由高到低變化時(shí)，其基礎(chǔ)頻率(4 kHz左右)波峰出現(xiàn)，且1～2 kHz區(qū)域波峰高度顯著減低，絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)，但是仍然可以根據(jù)此絕緣子在各種溫度下的振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖判定該絕緣子底部存在缺陷。 絕緣子機(jī)械強(qiáng)度的減小可能是由于絕緣子受冷收縮，其裂紋間隙變大，剛度減小。存在缺陷的絕緣子在直立狀態(tài)下從20 ℃過(guò)渡到-20 ℃過(guò)程中機(jī)械強(qiáng)度減小的典型振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖見(jiàn)圖7。

(a) 20 ℃

(b) 10 ℃

(c) 0 ℃

(d) -10 ℃

(e) -20 ℃

由圖7可見(jiàn)，溫度從20 ℃過(guò)渡到-20 ℃時(shí)，絕緣子上部法蘭區(qū)域損傷顯著增大，在任何溫度條件下，都可以判斷該絕緣子的機(jī)械狀態(tài)較差。溫度對(duì)絕緣子機(jī)械狀態(tài)的影響無(wú)明顯規(guī)律，當(dāng)絕緣子的溫度經(jīng)0 ℃過(guò)渡時(shí)，其機(jī)械強(qiáng)度的變化情況無(wú)法確定，但其機(jī)械強(qiáng)度變化量不足以影響對(duì)絕緣子機(jī)械狀態(tài)的判斷。

4 結(jié)論

a. 機(jī)械狀態(tài)良好的絕緣子的振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖只在3～6 kHz頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值，底部法蘭處有缺陷的絕緣子會(huì)在1～2 kHz頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值，頂部法蘭處有缺陷的絕緣子會(huì)在8～10 kHz頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值，這一試驗(yàn)結(jié)果與理論研究相吻合。對(duì)于其他頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的振動(dòng)功率譜密度圖和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行判斷。

b. 振動(dòng)聲學(xué)法既可以用來(lái)檢測(cè)在役瓷支柱絕緣子,也可以用來(lái)檢測(cè)待驗(yàn)收的瓷支柱絕緣子,但檢測(cè)方法不同,在役瓷支柱絕緣子可按正常方法檢測(cè),待驗(yàn)收瓷支柱絕緣子需將絕緣子直立進(jìn)行檢測(cè)。

c. 溫度對(duì)檢測(cè)結(jié)果存在影響，但溫度變化時(shí)機(jī)械強(qiáng)度的變化量不足以影響對(duì)絕緣子機(jī)械狀態(tài)的判斷，在任何情況下都可以將絕緣子的缺陷檢出。但是為對(duì)絕緣子的機(jī)械狀態(tài)做出充分評(píng)估，建議在條件允許的狀況下要在其溫度從負(fù)過(guò)渡到正時(shí)做出充分考查。